Evaluacion-formacion-de-carburos

Esta es una vista previa del archivo. Inicie sesión para ver el archivo original

EVALUACIÓN DE LA FORMACÍON DE CARBUROS, EN UN MATERIAL ASTM A 
516 GRADO 70, AFECTADO POR UN PROCESO DE SOLDADURA FCAW Y 
TEMPERATURAS SUPERIORES A 427 ° C. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ALEXANDER ALVARADO MORENO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
MAESTRIA EN GESTION DE INTEGRIDAD Y CORROSIÓN 
TUNJA, BOYACÁ 
2019 
. 
 
 
EVALUACIÓN DE LA FORMACÍON DE CARBUROS, EN UN MATERIAL ASTM A 
516 GRADO 70, AFECTADO POR UN PROCESO DE SOLDADURA FCAW Y 
TEMPERATURAS SUPERIORES A 427 ° C. 
 
 
 
 
ALEXANDER ALVARADO MORENO 
 
 
 
 
monografía, para obtener el título de Maestría en Gestión de la Integridad y 
Corrosión. 
 
 
 
 
 
Director: Dr. Carlos Mauricio Moreno Téllez 
 
 
Codirector: Dr. Enrique Vera López 
 
 
 
UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
MAESTRIA EN GESTION DE INTEGRIDAD Y CORROSIÓN 
TUNJA, BOYACÁ 
2019 
3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Nota de Aceptación 
______________________________
______________________________ 
______________________________ 
______________________________ 
______________________________
______________________________ 
______________________________ 
______________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
Firmas de Jurados 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
______________________________ 
Dra. Yaneth Pineda Triana 
 
 
MsC. Katherine Andrea Blanco 
Buitrago 
 
 
 
Tunja, Boyacá, 11 de junio 2019 
4 
 
TABLA DE CONTENIDO 
 
0. INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 6 
1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ......................................................................... 7 
2. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................... 8 
3. OBJETIVO GENERAL....................................................................................... 9 
3.1 OBJETIVOS ESPECIFICOS .......................................................................... 9 
4. MARCO TEÓRICO .......................................................................................... 10 
4.1 MECANISMO DE FALLA POR GRAFITIZACIÓN ........................................ 10 
4.2 MECANISMO DE FALLA POR ESPEROIDIZACIÓN ................................... 12 
4.4 CARACTERISTICAS DE UNA JUNTA SOLDADA POR FUSIÓN ................ 16 
4.4.1 Zona de Fusión. ..................................................................................... 16 
4.4.2 Interface de la soldadura ........................................................................ 17 
4.4.3 Zona afectada por el calor ...................................................................... 18 
4.5 ACERO ASTM A 516 GRADO 70................................................................. 20 
4.6 ESTADO DEL ARTE .................................................................................... 22 
5. DISEÑO METODOLÓGICO ............................................................................ 27 
5.1 DISEÑO EXPERIMENTAL ........................................................................... 27 
5.2 SELECCIÓN DEL MATERIAL Y PREPARACIÓN MUESTRAS ................... 28 
5.2.1 Preparación de las láminas para la junta soldada .................................. 29 
5.2.3 Características del equipo FCAW .......................................................... 32 
5.2.4 Características del alambre de aporte. ................................................... 34 
5.2.5 Características del gas de protección..................................................... 36 
5.2.6 Aplicación de la soldadura ...................................................................... 38 
5.2.7 Corte, encapsulado de las muestras y pulido. ........................................ 40 
5.3 EVALUACION METALOGRÁFICA DE LAS MUESTRAS ............................ 45 
5.3.1 evaluación de las muestras en el estereoscopio .................................... 45 
5.3.2 Evaluación de la microestructura en el microscopio óptico, muestras sin 
temperatura (0 lt/min CO2). ............................................................................. 47 
5.3.3 Evaluación de la microestructura en el microscopio óptico, muestras con 
temperatura (0 lt/min CO2). ............................................................................. 49 
5 
 
5.3.4 Evaluación de la microestructura en el microscopio óptico, muestras sin 
temperatura (15 lt/min CO2). ........................................................................... 52 
5.3.5 Evaluación de la microestructura en el microscopio óptico, muestras con 
450 ° C y 100 horas, (15 lt/min CO2). ............................................................. 56 
5.3.6 Análisis de la metalografía de las muestras. .......................................... 59 
5.4 EVALUACION DEL PERFIL DE DUREZAS DE LAS MUESTRAS ........... 63 
6. CONCLUSIONES. ........................................................................................... 67 
7. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................... 68 
8. ANEXOS ......................................................................................................... 70 
8.1CERTIFICADO DE CALIDAD MATERIAL ASTM A 516 GR 70 .................... 70 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 
0. INTRODUCCIÓN 
 
 
En general, en los procesos industriales que involucren servicios a altas 
temperaturas, se requiere el uso de materiales que ofrezcan buena resistencia a 
condiciones extremas, como el caso de hogares de calderas y tubos de fuego. La 
siguiente investigación, estudiará los efectos de la variación de parámetros de 
aplicación de un proceso de soldadura Flux Cored Arc Welding (FCAW), en una 
chapa metálica de acero al bajo carbono ASTM A 516 grado 70, muy comúnmente 
usado en construcciones para calderas. 
 
 
El estudio se enfocará en la zona critica de trabajo o zona afectada por el calor 
(HAZ), variando la cantidad de voltaje de aplicación del cordón de soldadura de 
trabajo y el caudal de gas de protección CO2. Estas muestras se someterán a una 
temperatura de 427 °C durante un tiempo de 100 horas continuas con el fin de 
observar los cambios microestructurales en la formación de carburos que conlleva 
a mecanismos de falla como la grafitización y la Esferoidización. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 
1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 
 
En los procesos de fabricación de equipos térmicos y recipientes como siguen; 
calderas, calderines, intercambiadores de calor, tubos de fuego y recipientes a 
presión, se requiere emplear materiales metálicos con unas muy buenas 
propiedades mecánicas como resistencia a altas temperaturas en prolongadas 
horas de servicio, altas presiones y cargas cíclicas. 
 
En la industria es común, emplear aceros especiales como el ASTM A 516 grado 
70, para la construcción de chapas metálicas de calderas, tubos de fuego y 
recipientes a presión, en general todas las aplicaciones enfocadas a la generación 
de energía eléctrica, petroquímica y petróleo y gas. Se distingue por ser un material 
de buenas propiedades mecánicas, como resistencia a altas presiones de trabajo y 
buena respuesta a los cambios medios de temperatura. 
 
En general en la fabricación se emplean procesos de soldadura por arco eléctrico, 
muy común el uso del arco eléctrico por electrodo revestido, SMAW, así como los 
de protección gaseosa GMAW y FCAW. Es de importancia los procesos 
semiautomáticos, por el alto rendimiento en la operación de fabricación, altas tasas 
de deposición y buena calidad en la presentación de la soldadura. Por lo que en el 
presente trabajo se enfocará en el uso de la tecnología FCAW a las uniones 
soldadas de chapas metálicas común en equipos y estructuras de calderas y tubos 
de fuego.
Con el creciente desarrollo y demanda energética del país, se hace prescindible el 
uso de procesos semiautomáticos de soldadura, en la fabricación de equipos y 
máquinas, así se deriva el uso frecuente de las tecnologías GMAW y FCAW. 
 
En las chapas metálicas de acero ASTM A 516 Gr 70, empleadas para la fabricación 
de calderas, se ha presentado con frecuencia un mecanismo de falla, asociado a la 
deformación del material muy cerca de la zona de las uniones soldadas. Como el 
material está en contacto permanente con productos de la combustión y gases a 
alta temperatura que sobrepasan los 450° Celsius, se prevé una directa relación 
entre la temperatura y la formación de grafito en la zona afectada por el calor (HAZ) 
de las uniones soldadas. 
8 
 
Otro aspecto que se tendrá como objetivo de estudio, es la relación entre los de 
parámetros del proceso de soldadura usando tecnología FCAW y la formación de 
grafito. Se conoce que en la aplicación de la soldadura se puede realizar con gas 
protector de atmosfera, muy comúnmente CO2, o en caso contrario, se puede 
prescindir del gas. Por lo tanto, es de importancia estudiar la relación entre las 
variables, temperatura, gas protector CO2, voltaje de aplicación y su efecto en la 
formación de grafito y la consiguiente falla por deformación del material. 
 
2. JUSTIFICACIÓN 
 
El uso de nuevas tecnologías en procesos de manufactura, se traduce en trabajos 
más rápidos y eficientes. En el aspecto de las tecnologías competentes a la 
soldadura, en nuestro país, se presenta un creciente desarrollo, en cuanto a la 
calidad de producto. Por tal razón, en todos los niveles de la industria; alimenticia, 
agrícola, energía y petróleo, buscan estandarizar los procesos, de acuerdo a 
normas, especificaciones y códigos. Es así, que es común encontrar, 
documentación, referente a procedimientos de la soldadura, especificaciones de 
procedimientos de la soldadura(WPS) y registro de calificación de soldadores 
(PQR). 
 
 A pesar de cumplir los procedimientos, en las juntas de uniones soldadas, se 
presenta frecuentemente, mecanismos de falla, relacionados a la microestructura 
del material, al proceso de aplicación y al tipo de acero al carbono. Cuando los 
materiales son sometidos a condiciones de trabajo extrema, como alta temperatura 
y tiempos prolongados de trabajo, crece la posibilidad de iniciar un mecanismo de 
falla. Las juntas soldadas son susceptibles por la condición de cambio 
microestructural, debido a las altas temperaturas en el momento del ensamble y 
construcción. Lo anterior junto con las condiciones de operación, influyen, por 
ejemplo, en la precipitación de perlita en ferrita y carburos, lo que se traduce en un 
debilitamiento de la resistencia mecánica del material, un incremento de la 
ductilidad, y por lo tanto mayor probabilidad de deformación del mismo. 
 
Es frecuente el uso de procesos automáticos de soldadura como el FCAW, donde 
las variables de aplicación como voltaje, y caudal de gas de protección pueden 
afectar la calidad de producto. Es así que es de importancia estudiar la relación 
entre el voltaje de corriente directa (DC), el caudal de CO2 en litros por minuto y el 
tiempo de exposición del material a condiciones extremas de temperatura, superior 
a 427 °C, con el fin de detallar la formación de carburos. 
9 
 
3. OBJETIVO GENERAL 
 
Evaluar la formación de carburos en la zona HAZ de un material ASTM A516 grado 
70, en un proceso de soldadura FCAW, afectando los parámetros de gas protector 
CO2, voltaje de trabajo y tiempo de exposición a temperatura superior a 427° C. 
 
3.1 OBJETIVOS ESPECIFICOS 
 
 Seleccionar y preparar cinco placas de acero ASTM A 516 grado 70 
 
 Realizar una especificación para el procedimiento de la aplicación por 
proceso FCAW. 
 
 Realizar el proceso de aplicación de la soldadura afectado caudal de CO2. 
 
 Someter las probetas a una temperatura de 427° C durante 100 horas 
continuas 
 
 Evaluar la formación de carburos realizando metalografía a la 
microestructura, después del tiempo de exposición del material a altas 
temperaturas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10 
 
4. MARCO TEÓRICO 
 
 
4.1 MECANISMO DE FALLA POR GRAFITIZACIÓN 
 
El mecanismo de falla por grafitización es el resultado de la agrupación de los 
átomos de carbono, en las fronteras de grano, dando como resultado la formación 
de nódulos de grafito. Es un cambio microestructural muy frecuente en aceros de 
bajo y medio carbono que después de unas condiciones de trabajo, como tiempo y 
temperatura pueden presentar perdida de la resistencia mecánica, incremento en la 
ductilidad y afectación en la resistencia a la fluencia. 
 
Se considera que si la temperatura de trabajo se encuentra en un rango de los 
427° C a 593°C y largos periodos de operación, influye proporcionalmente en la 
formación de los nódulos de grafito.1 
 
Algunos aceros son más susceptibles a la grafitización que otros, dependiendo de 
los componentes químicos de la aleación del acero. El contenido de cromo superior 
a 0.7% puede contrarrestar el efecto de la formación de los nódulos. En cuanto a la 
temperatura de trabajo inferior a 427° C, las tasas de formación decrecen. 
 
Se puede presentar una distribución aleatoria del grafito como se observa en la 
figura 1. Este es un tipo de grafitización menos recurrente, y por lo tanto no tiene 
una afectación mayor en las propiedades mecánicas de los materiales. Ahora, la 
segunda forma de presentación, es una focalización y agrupación más 
generalizada, en las fronteras de grano del material, muy común en las zonas 
afectadas por el calor (HAZ) de los cordones de la soldadura. Se incrementa la 
presencia de grafito cuando en la junta se realizan varias pasadas y los nódulos se 
pueden formar a bajas temperaturas, dando como resultado una banda débil de 
grafito entre cada capa de soldadura. 
 
1 AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. Damage Mechanism Affecting Fixed Equipment 
 in the refining Industry. API Recommended Practice 571 2011. 2ed. Washington DC: API, 
 2011. p 4-3. 
 
11 
 
 
Para observar la morfología de daño por grafitización, se debe realizar pruebas 
metalográficas al material en exposición. En caso de un estado avanzado de 
grafitización, se presentar microfisuras internas, agrietamiento superficial y 
deformaciones superficiales. 
 
Figura 1. Formación de nódulos de grafito en forma aleatoria 
 
 
Fuente. AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. Damage Mechanism Affecting Fixed Equipment in 
the refining Industry. API Recommended Practice 571 2011. 2ed. Washington DC: API, 2011.p. 4-
6. 
 
 
Figura 2. Agrupación de grafito en las fronteras de grano 
 
Fuente. El autor 
 
 
12 
 
 
La microestructura de los aceros susceptibles a grafitización como los aceros al 
carbono y aleaciones carbono- molibdeno esta normalmente compuesta de perlita, 
la cual es una mezcla de ferrita y algunos carburos de hierro o comúnmente 
denominada cementita. Cuando los materiales son sometidos a condiciones de 
servicio de alta temperatura y prolongadas horas de trabajo, la perlita se 
descompone en ferrita y aleatoriamente se dispersa grafito, mientras que la 
cementita tiende a desaparecer, ya que la forma estable del carbón es el grafito, 
más que la cementita. Esta descomposición de la perlita en ferrita y grafito, puede 
incrementar la fragilidad de un material cuando hay una agrupación más 
generalizada. Si la distribución es aleatoria, causa una moderada perdida de 
resistencia mecánica.2 
 
Figura 3. Relación entre tiempo de exposición-temperatura en la formación de 
carburos 
 
Fuente. ASM Metals Handbook. Properties and Selection: Iron, Steels, and High-Performance. ASM 
Volumén 1. 10ed. ASM International, Materials Park, OH 1993.p.985. 
 
4.2 MECANISMO DE FALLA POR ESPEROIDIZACIÓN 
 
La esperodización
es un cambio en la microestructura de los aceros, cuando estos 
son sometidos a temperaturas de trabajo entre 440° c a 760°C. Es bajo esta 
condición donde los carburos son inestables toman una forma esferoidal. La 
esperodización puede causar perdida de la resistencia mecánica del material y 
tremofluencia. 
 
2 ASM Metals Handbook. Properties and Selection: Iron, Steels, and High-Performance. 
 Volumén 1. 10ed. ASM International, Materials Park, OH 1993. p.985. 
13 
 
Los materiales comúnmente afectados son aceros al carbono y aceros de baja 
aleación incluyendo 0.5 Mo, 1Cr-0.5 Mo, 1.25Cr- 0.5 Mo, 2.25Cr-1Mo, 3Cr-1Mo, 
5Cr-0.5Mo y 9Cr-1Mo. 
 
La pérdida de la resistencia mecánica es acompañada por un incremento en la 
ductilidad del material, tomando importancia, las zonas donde se presentan 
concentradores de esfuerzos ya que la deformación es considerable. La pérdida de 
resistencia mecánica puede estar cerca al 30%, sin embargo, las fallas son más 
considerables si se aplican esfuerzos mayores en áreas de concentradores de 
esfuerzos o combinación con otros mecanismos de daño. 
 
la velocidad de la formación de carburos depende de la temperatura y la 
microestructura inicial. La esperodización puede ocurrir en pocas horas de 
exposición del material a una temperatura de 552 °C, y en un periodo largo de 
tiempo, inclusive años, a una temperatura de 454° C.3 
 
Figura 4. Formación de carburos en forma esferoidal. 
 
Fuente. AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. Damage Mechanism Affecting Fixed Equipment in 
the refining Industry. API Recommended Practice 571 2011. 2ed. Washington DC: API, 2011. p. 4-
9. 
 
3 AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. Damage Mechanism Affecting Fixed Equipment 
 in the refining Industry. API Recommended Practice 571 2011. 2ed. Washington DC: API, 
 2011. p. 4-9 
 
14 
 
4.3 PROCESOS DE SOLDADURA SEMIAUTOMÁTICOS 
 
En la actualidad los procesos por soldadura por arco eléctrico con atmosfera 
protectora de gas (gas shielded metal arc welding, GSMAW) es ampliamente usado 
en varios sectores de la industria, como construcción de estructuras de acero, 
puentes, autos, maquinaria industrial, barcos, industria petrolera, recipientes a 
presión y tuberías. Dentro de esta tecnología se enlista procesos de soldadura 
como: GMAW (Gas metal arc welding) y FCAW (Fluxe cored arc welding). 
 
Estos procesos de soldadura, sin embargo, requieren, un conocimiento específico 
de las técnicas de aplicación y un entrenamiento de los operarios más riguroso. la 
calidad de las soldaduras por GSMAW, se relaciona con los parámetros de trabajo, 
así como la experticia y habilidad del operador. Las configuraciones de las 
tecnologías van desde el uso de alambres solidos hasta alambre con núcleo 
fundente, con gases protectores como el 100% CO2, 75-80% argón/ balance y una 
mezcla de CO2, como Ar- CO2. De acuerdo a la AWS (American Welding Society) 
el proceso GSMAW, con alambres solidos se distingue como GMAW, mientras los 
alambres con núcleo fundente como FCAW. 
 
Los materiales muy comúnmente usados con GSMAW, van desde aceros al bajo y 
medio carbono, aceros de alta resistencia mecánica, aceros de alta resistencia a la 
temperatura y aceros inoxidables4. 
 
En la soldadura por arco con CO2, el alambre de soldadura arrollado en forma de 
bobina es introducido en el soplete por el motor de alimentación de forma 
automática. El alambre de soldadura que es electrificado a través de la punta de 
contacto se convierte en el electrodo que crea un arco entre el mismo y el metal 
base. El calor del arco funde el alambre y el metal base para unir dos piezas del 
metal base. En este caso, con el fin de que el metal de soldadura no se vea afectado 
por el oxígeno y el nitrógeno presentes en la atmósfera, se suministra CO2 desde 
la boquilla del soplete para proteger el baño de soldadura. Su esquema se muestra 
en la figura 55 
 
4 KOBELCO. Essential actors in gas Shielded Metal Arc Welding. Tokio, Japan: KOBE 
 STEEL LTD, 2015. p.12. 
 
15 
 
Figura 5. Fases en la aplicación del gas protector sobre el cordón de soldadura. 
 
Fuente. Fundamentos de soldadura MAG(Soldadura por arco con CO2) disponible en 
internet:http://www.kobelcowelding.jp/espanol/educationcenter/Fundamentals/Fundamenta
ls01.html#s01. 
 
El hierro se vuelve frágil cuando se combina con el nitrógeno abundante en la atmósfera. 
El gas CO2, por lo tanto, es utilizado a menudo para proteger el baño de soldadura de la 
atmósfera. El gas CO2 puede ser descompuesto en CO y O por el calor del arco a ultra-alta 
temperatura cerca de éste. 
 
 
5 Fundamentos de soldadura MAG (Soldadura por arco con CO2) disponible en: internet: 
https://www.kobelco-welding.jp/espanol/education-center/Fundamentals/Fundamentals01.html 
https://www.kobelco-welding.jp/espanol/education-center/Fundamentals/Fundamentals01.html
16 
 
4.4 CARACTERISTICAS DE UNA JUNTA SOLDADA POR FUSIÓN 
 
Los procesos de soldadura por fusión usan calor para fundir los metales base; en 
muchas de las operaciones se agrega un metal de relleno a la combinación fundida 
para facilitar el proceso y proporcionar volumen y resistencia a la unión soldada. 
Una operación de soldadura por fusión en la cual no se agrega un metal de relleno 
se denomina soldadura autógena. La categoría por fusión incluye los procesos de 
soldadura de uso más amplio, los cuales pueden organizarse en los siguientes 
grupos generales: 
 
 Soldaduras por arco eléctrico(AW). El cambio de estado del material de 
aporte y el material base obedece a una fuente de energía, por un arco 
eléctrico entre un electrodo y el material base: se distinguen los siguientes 
procesos 
 SMAW 
 GMAW 
 GTAW 
 FCAW 
 
 Soldadura por resistencia eléctrica(RW). El valor energético de fusión se 
obtiene por medio de un flujo de corriente eléctrica entre las superficies de 
empalme. 
 
 Soldadura con oxígeno y gas combustible (OFW), la fusión se realiza por la 
energía obtenida en la quema de un gas combustible o una mezcla entre dos 
gases. 
 
 
4.4.1 Zona de Fusión. Cuando se aplica suficiente energía calórica para cambiar 
el estado del material base y se mezcla con el material de aporte, da formación a la 
zona de fusión. Esta zona se caracteriza por un alto grado de homogeneidad entre 
los metales componentes que se han fundido durante la soldadura. La mezcla de 
estos componentes está motivada en gran medida por la convección en la 
combinación de soldadura fundida. La solidificación en la zona de fusión se asemeja 
a un proceso de fundición. En la soldadura, el molde se forma por medio de los 
bordes o superficies no fundidos de los componentes que se están soldando. La 
diferencia significativa entre la solidificación en fundición y la soldadura es que en 
esta última ocurre un crecimiento de grano epitaxial. 
17 
 
 
La nucleación puede ocurrir de manera homogénea, donde las fusiones se 
consideran muy limpias. El núcleo se forma por el ordenamiento de los átomos, en 
posiciones de acuerdo a la red cristalina. En la mayoría de procesos de soldadura, 
es común la afectación por impurezas del material y por los cambios de las variables 
de proceso. Esto se traduce que la nucleación se forma de manera heterogénea 
 
Figura 6. Perfil de una junta soldada a tope 
 
Fuente. Groover, Mikell. P. Fundamentos de manufactura moderna. 3 ed. México: 
Macgraw-Hill, 2007. p.700. 
 
 
La estructura resultante en la zona de fusión solidificada tiende a presentar granos 
gruesos en columna. La estructura del grano depende de varios factores que 
incluyen el proceso de soldadura, los metales que se sueldan (por ejemplo, metales 
idénticos contra metales diferentes), si se utiliza un
metal de relleno y la velocidad 
de alimentación a la que se obtiene la soldadura (figura 7) 
 
4.4.2 Interface de la soldadura. Una estrecha frontera que separa la zona de 
fusión de la zona afectada por el calor. La interfaz consiste en una banda delgada 
de metal base fundido o parcialmente fundido durante el proceso de fusión (se 
localiza dentro de los granos), el cual se ha solidificado inmediatamente después, 
18 
 
antes de mezclarse con el metal en la zona de fusión. Por lo tanto, su composición 
química es idéntica a la del metal base6 
 
Figura 7. Distribución granular de una junta soldada 
 
 
 
Fuente. Groover, Mikell. P. Fundamentos de manufactura moderna. 3 ed. México: 
Macgraw-Hill, 2007. p.700. 
 
4.4.3 Zona afectada por el calor. La zona afectada por el calor (HAZ, por sus 
siglas en inglés) está dentro del propio metal base. Tiene una microestructura 
diferente de la del metal base antes de la soldadura, debido a que se ha sometido 
en forma temporal a temperaturas elevadas durante el soldado. Las porciones del 
metal base que se encuentran lo suficientemente alejadas de la fuente de calor no 
sufren ningún cambio estructural durante el soldado debido a que se someten a una 
temperatura mucho menor. 
 
Las propiedades y la microestructura de la HAZ dependen de (a) la velocidad de 
suministro de calor y de enfriamiento, y (b) la temperatura a la que se elevó esta 
zona. Además de los factores metalúrgicos (como el tamaño original y la orientación 
del grano, 
 
6 Groover, Mikell. P. Fundamentos de manufactura moderna. 3 ed. México: 
Macgraw-Hill, 2007. p.700. 
 
19 
 
y el grado de trabajo en frío previo), las propiedades físicas (entre ellas el calor 
específico 
y la conductividad térmica de los metales) también afectan el tamaño y las 
características de esta zona7. 
 
Conforme aumenta la distancia de la zona de fusión, finalmente se alcanza la zona 
de metal base no afectada, en la cual no ha ocurrido un cambio metalúrgico. Sin 
embargo, es probable que el metal base que rodea la HAZ esté en un estado de 
alto esfuerzo residual, ocasionado por la contracción en la zona de fusión. 
 
Figura 8. Perfil de ductilidad y resistencia en la zona afectada por el calor 
 
Fuente. Schey, John A. Procesos de manufactura.3 ed. Mexico: Mc Graw Hill, 2002. 
p.784. 
 
 
 
7 Kalpakjian, S., & Schmid, S. R. Manufactura, ingeniería y tecnología. 5 ed. México: 
Pearson Educación, 2008. p.961. 
. 
 
20 
 
Las trasformaciones metalográficas en un proceso de soldadura, depende del 
gradiente de temperatura, y la aproximación el eje central de aplicación, donde se 
tiene la mayor concentración energética, en la junta soldada 
Figura 9. Fases características de una unión soldada 
 
 
Fuente. Metals Handbook, 10a. ed., vol. 6, Welding, Brazing, and Soldering.ASM 
International, Materials Park, Ohio, 1993. p.181. 
 
4.5 ACERO ASTM A 516 GRADO 70 
 
La característica principal de estos aceros para recipientes a presión es su 
capacidad para resistir elevadas presiones a diferentes temperaturas de utilización. 
Presentan buenos niveles de soldabilidad y resiliencia, y son aptos para 
normalizado y recocido para eliminación de tensiones, tratamientos ambos que 
neutralizan el efecto de endurecimiento localizado en la zona de la soldadura. 
Las chapas de acero cubren un amplio rango de composición. Las más comunes 
son los de aceros de bajo carbono (menores a 0.2% de carbono), pero algunas son 
de medio Carbono (0.2-0.4% C). Pueden presentarse chapas con porcentajes de 
aleación mayores al 5%. 
 
 
21 
 
Tabla 1. Características químicas del material ASTM A 516 Gr 70 
 
Fuente. Lámina Para Recipientes A Presión ASTM A516 Gr 70. Disponible en: 
http://www.ferrocortes.com.co/download/FT-11-001-ASTM-A516-GR70.pdf 
 
De acuerdo con la Especificación de proceso soldadura según AWS: AWS A 5.1 
E60, el material se considera con alta Soldabilidad. 
 
Figura 10. Microestructura metalográfica del material, ASTM A 516 GR 70. 
 
 a) b) 
Fuente. ASM Metals Handbook. Metallography and Microstructure. 10a. ed., volume 
9. Materials Park, Ohio: ASM International ,1993. p. 377. 
De acuerdo a la microestructura metalográfica, se muestra ferrita como las zonas 
claras, y perlita como las zonas oscuras. El grano se observa alargado por el 
proceso de rolado del material (figura 10a.). cuando el material es sometido a 900 
° C, por una hora, se presenta un reagrupamiento de la perlita y la ferrita (figura 
10b.) 
22 
 
4.6 ESTADO DEL ARTE 
 
Para el estado del arte se realizó consulta en bases de datos, así como en 
repositorios de universidades y escuela académicas. Los siguientes son los trabajos 
relacionados con el presente trabajo. 
 
 Identification of Precipitates in Weldments Performed in an ASTM A335 
Gr P91 Steel by the FCAW Process8. 
 
El anterior articulo relaciona el estudio, de los precipitados como carburos, en un 
proceso de soldadura FCAW, en un material A355 Gr P91, que es sometido a 
temperaturas de servicio superiores a 600° C. 
 
 Desarrollo De Un Procedimiento De Soldadura (WPS) Para La 
Fabricación De Uniones Soldadas En Cuerpos Y Tapas De Recipientes 
A Presión Y Calderas En Aceros Al Carbono Para La Compañía Inpv 
S.A.9 
 
En la anterior tesis, describe el procedimiento para generar la documentación y las 
especificaciones aplicadas a procesos de soldadura con tecnología FCAW, y de 
acuerdo a las normas AWS y API 1104, para un material ASTM A516 grado 70. 
 
 
 
 
 
8 Marzocca, Ana Lucía ; Luppo, María Inés ; Zalazar, Mónica. aInstituto Sabato, UNSAM – CNEA, 
Av. Gral Paz 1499 (B1650KNA) San Martín, Buenos Aires, Argentina. Disponible en 
www.sciencedirect.com 
 
9 Angulo Morris, Milton; Melgarejo Pinzón, Carlos. Monografía para optar título de especialista en 
soldadura. Bogotá DC. Universidad Libre , 2015. p. 49. 
23 
 
 Investigating the effects of welding process on residual 
stresses,microstructure and mechanical properties in HSLA steel 
welds10 
 
Alipooramirabad , Houman y Paradowska, Anna, resaltan la relación directa de los 
consumibles en soldadura y el tipo de proceso de soldadura con la integridad de las 
estructuras soldadas y el desempeño mecánico. La composición química del 
material de relleno y los mecanismos de deposición controlan las fases de 
transformación y distribución térmica de la soldadura. Otro de los parámetros 
importantes mencionados es la geometría de la la junta y el precalentamiento de las 
piezas a unir. El estudio se centra en investigar los efectos directos de los procesos 
de soldadura, SMAW Y FCAW, en la formación de esfuerzos residuales y cambios 
microestructurales en un acero HSLA. 
 
El material seleccionado es un API 5L X70 de 250 x200 mm y 20 mm de espesor. 
Se efectuaron 30 pases con una distribución como se muestre en la gráfica. 
 
Figura 11. Distribución de pasadas con proceso SMAW. (primer pase electrodo 
E6010, resto de pasadas E8010) 
 
Fuente. Alipooramirabad, Houman; Paradowska, Anna; Ghomashchi, Reza. Reid, Mark. 
Investigating the effects of welding process on residual stresses, microstructure and mechanical 
properties in HSLA steel welds. Journal of Manufacturing Processes, Volume 28, Part 1, 2017. 
Disponible en www.sciencedirect.com. 
 
10 Alipooramirabad, Houman; Paradowska, Anna; Ghomashchi, Reza. Reid, Mark. Investigating the 
effects of welding process on residual stresses, microstructure and mechanical properties in HSLA 
steel welds, Journal of Manufacturing Processes, Volume 28, Part 1, 2017. Disponible en 
www.sciencedirect.com. 
 
http://www.sciencedirect.com/
24 
 
Figura 12. Distribución
de pasadas con proceso FCAW -MSAW. (primer pase 
electrodo ER70s-6, resto de pasadas E81TNi) 
 
 
Fuente. Alipooramirabad, Houman; Paradowska, Anna; Ghomashchi, Reza. Reid, Mark. 
Investigating the effects of welding process on residual stresses, microstructure and mechanical 
properties in HSLA steel welds. Journal of Manufacturing Processes, Volume 28, Part 1, 2017. 
Disponible en www.sciencedirect.com. 
 
Figura 13. identificación de la micrografía zona HAZ proceso SMAW 
 
 
Fuente. Alipooramirabad, Houman; Paradowska, Anna; Ghomashchi, Reza. Reid, Mark. 
Investigating the effects of welding process on residual stresses, microstructure and mechanical 
properties in HSLA steel welds. Journal of Manufacturing Processes, Volume 28, Part 1, 2017. 
Disponible en www.sciencedirect.com. 
 
 
 
http://www.sciencedirect.com/
http://www.sciencedirect.com/
25 
 
 
Figura 14. identificación de la micrografía zona HAZ proceso FCAW 
 
 
Fuente. Alipooramirabad, Houman; Paradowska, Anna; Ghomashchi, Reza. Reid, Mark. 
Investigating the effects of welding process on residual stresses, microstructure and mechanical 
properties in HSLA steel welds. Journal of Manufacturing Processes, Volume 28, Part 1, 2017. 
Disponible en www.sciencedirect.com. 
 
En el estudio metalográfico del proceso FCAW, se encontró altas concentraciones 
de estructuras bainiticas y formaciones de ferrita tipo Widmanstatten. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
http://www.sciencedirect.com/
26 
 
 Disolución de carburos en piezas de fundición esferoidal de pequeño 
espesor11. 
 
El objetivo de este trabajo es estudiar la disolución de los carburos presentes en 
fundiciones de hierro, de pared delgada, evaluando la influencia de la temperatura 
y el tiempo de mantenimiento. El alto contenido de carbono y silicio y los diferentes 
procesos de enfriamiento, propician la formación de carburos y la formación de 
grafito. Los elementos grafitizantes como el Si, Ni, Cu, varían las temperaturas del 
eutéctico estable y metaestable, reduciendo la posibilidad de formación de carburos 
ledeburíticos. Los elementos formadores de carburos, como el Cr, Mo, Mn, V, Ti, 
disminuyen la diferencia de temperatura entre el eutéctico estable, segregando 
hacia los bordes de grano pudiendo lograr carburos intercelulares. 
 
 
Figura 15. Secuencia de disolución de carburos: a: sin tratamiento; b: luego de 3,5 
min de tratamiento; c: 4,5 min d: 6,5 min; e: 10,5 min; f: 18,5 min; g: 26,5 min de 
tratamiento. 
 
Fuente. A. Giacopini, R. Boeri y J. Sikora. Disolución de carburos en piezas de fundición esferoidal 
de pequeño espesor. Mar del Plata – Argentina: División Metalurgia - INTEMA – Facultad. Ingeniería 
– UNMDP-CONICET, 2001. p.168. 
 
11 . A. Giacopini, R. Boeri y J. Sikora. Disolución de carburos en piezas de fundición esferoidal de 
pequeño espesor. Mar del Plata – Argentina: División Metalurgia - INTEMA – Facultad. Ingeniería – 
UNMDP-CONICET, 2001. p.166. 
27 
 
5. DISEÑO METODOLÓGICO 
 
De acuerdo a la documentación y las investigaciones, el aporte del CO2, debe influir 
en la concentración de carburos en la interfaz de la zona HAZ, se define como 
hipótesis la posibilidad de incrementar las tasas de carburos cuando la 
concentración de gas de protección se hace al mínimo caudal. Ahora con la 
exposición de la muestra a altas temperaturas en un horno tipo Mufla, en un tiempo 
de 100 horas, se relaciona con la formación de carburos en los límites de grano. 
 
Las variables a tener en cuenta: 
 
1. Caudal de CO2 en litros por minuto 
2. Temperatura de la mufla 
 
 
5.1 DISEÑO EXPERIMENTAL 
 
La propuesta para el desarrollo experimental, es preparar cuatro probetas o 
muestras, afectando las variables, caudales de CO2 y Temperatura de exposición 
en mufla. 
Tabla 2. Variables experimentales de estudio 
MUESTRA VOLTAJE DC CAUDAL 
GAS(l/min)) 
TEMPERATURA 
MUFLA C° 
TIEMPO 
HORAS 
M1 25VDC 0 0 0 
M2 25 VDC 0 430 100 
M2 25 VDC 15 0 0 
M3 25 VDC 15 430 100 
Fuente. el autor 
 
 
 
 
 
 
28 
 
5.2 SELECCIÓN DEL MATERIAL Y PREPARACIÓN MUESTRAS 
 
El material seleccionado es un acero ASTM A 516 GRADO 70, una chapa metálica 
comúnmente usada en la construcción de tubos de fuego de equipos de generación 
de vapor como calderas pirotubulares e intercambiadores de calor. 
Para elaborar las muestras de estudio se adquirió una chapa metálica de 300 mm 
por 600 mm y un espesor de 8 mm, material con su correspondiente certificado de 
calidad (ver anexo 1) entregado por la empresa Compañía General de aceros de la 
ciudad de Bogotá D.C. 
 
Figura 16. Chapa metálica de acero ASTM A 516 Gr 70. 
 
Fuente. El autor. 
 
Posteriormente se procedió a realizar el corte de la laminas, cada una de 50mm por 
150 mm, para lograr obtener cuatro muestras como se muestran en la figura 17. Es 
importante resaltar que el alcance del presente proyecto es evaluar las muestras 
con concentración de CO2 de 0 lt/min y 15lt/min. Las muestras de 5lt/min y 10lt/min, 
se utilizarán para un futuro estudio sobre los efectos de la concentración de gas 
protector. 
 
 
 
 
 
29 
 
Figura 17. Corte de las láminas del material ASTM A 516 Gr 70. 
 
Fuente. El autor 
 
5.2.1 Preparación de las láminas para la junta soldada. Para la preparación de 
las láminas se tuvo en cuenta la información registrada en el WPS (Welding 
procedure Specification), donde se identifica el tipo de unión a trabajar, la geometría 
del bisel y las variables del proceso, como corriente y voltaje, el tipo de polaridad 
 
Figura 18. Preparación y medición del bisel 
 
Fuente. El autor. 
 
30 
 
5.2.2 especificación del procedimiento del proceso de soldadura. Para realizar 
las muestras de estudio se tuvo en cuenta la información registrada en el siguiente 
WPS. 
Tabla 3. WPS para la elaboración de las muestras 
 
 Documento N°:01 
ESPECIFICACION PARA PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA 
(Welding Procedure Specification) 
ASME Standard IX 
Revisión N°. 00 
 
Página N°: 01 
 
PROYECTO: ELEBORACION DE MUESTRAS PARA ESTUDIO DE LA GRAFITIZACION EN UN MATERIAL ASTM A GR 70 
 CLIENTE: 
 
 
 
 
 
APROBADO PARA: CALIFICACION FABRICACION X HOMOLOGACION 
 
WPS N°: 1 TEMP. INTERFACE N/A 
PROCESO DE 
SOLDADURA: FCAW 
MANT. TEMP PRECAL. 
N/A 
MATERIAL BASE: ASTM A 516- GR 70(QW-403) TRATAMIENTO TERMICO: N/A 
ESPESOR CHAPA 8 mm TIPO DE CORRIENTE: DC 
ESPESOR DE PARED: NA POLARIDAD: DCEP 
DISEÑO DE JUNTA: V (QW 402) RANGO DE AMPERAJE: 110-500 Amp 
No.DE PASES: 2 RANGO DE VOLTAJE: 19-5-40 VDC 
MATERIAL DE APORTE: AWS A 5.20 E71T-1CH8 VELOCIDAD DE DEPOSITO: 10m/min 
POSICION: 1G FUNDENTE PROTECTOR: 
DIRECCION: 
Descendente 
Ascendent
e 
GAS PROTECTOR: 
CO2 
 Ninguno COMP. DEL GAS DE PROTE CO2 
No.DE SOLDADORES: 1 RATA DE FLUJO DEL GAS: 0- 15 lt/min 
TIEMPO MAXIMO ENTRE 
PASES: 1 min SOLDADOR 1: 
DIEGO 
ALEJANDRO 
ESTAMP
E: 
DAA TIPO DE ALINEADOR: N/A ALARCON 
REMOCION DEL 
ALINEADOR: N/A CEDULA: 
LIMPIEZA: MANUAL CON GRATA 
SOLDADOR 2: 
 
ESTAMP
E: 
 
PRECALENTAMIENTO MIN 
: N/A -- 
 
CEDULA: -- 
CODIGO APLICABLE: ASME SECCION IX 
Fuente. Autor 
31 
 
Tabla 3 (continuación) 
 
 
Considerando la información registrada en el Formato WPS, se procedió a preparar 
las platinas para el proceso de unión
soldada. El proceso de biselado, de acuerdo 
al ángulo requerido, se realizó por arranque de viruta, en una fresadora vertical, 
garantizando una exactitud en la geometría. 
 
Ø
1.2 mm
1.2 mm
FIRMA:
FECHA:
CARGO: INGENIERO MECÁNICO
EMPRESA:
ELABORÓ REVISÓ APROBÓ
NOMBRE: ALEXANDER ALVARADO
manual horizontal plana
2 E71T-1CH8 180-250 DCEP 20-25 VDC 10m/min manual horizontal plana
1 E71T-1CH8 180-250 DCEP 20-25 VDC 10m/min
LIMPIEZA DIRECCION
CLASE RANGO POLARIDAD RANGO DE AVANCE
VELOCIDAD
Orden de Diam. Tubo Ø Límite en Ranura: NA Filete:
PASE Nº
ELECTRODO CORRIENTE, AMP VOLTAJE
***
Rango de espesores:
Espesor 8 mm
Espesor Límite en Ranura 2 mm Filete:
ESQUEMA N° 1. DISEÑO DE JUNTA ESQUEMA N° 2. SECUENCIA Y NUMERO DE PASES
Material base: QW- 403 ***
32 
 
Figura 19. preparación del bisel de las lamina para muestra de 0 lt/min de CO2 
 
Fuente. El autor 
 
Figura 20. Vista lateral del bisel 
 
Fuente. El autor 
 
5.2.3 Características del equipo FCAW. Para realizar el proceso de unión soldada 
por FCAW, se usó un equipo industrial, de alto rendimiento, que pertenece a los 
laboratorios de procesos del departamento Ingeniería Mecánica de la Escuela 
Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, en la ciudad de Bogotá D.C. Las 
características de trabajo y referencia se enlistan en la tabla 4. 
33 
 
Tabla 4. Características técnicas del equipo de Soldadura 
CARACTERISTICAS TECNICAS EQUIPO FCAW REF. HGMIG 500 
ITEM CARACTERISTICA 
VOLTAJE DE PODER ~3FASES 220/440 VAC 
FRECUENCIA 60Hz 
VOLTAJE DE CORTOCIRCUITO 20-51 VDC 
VOLTAJE DE SOLDADURA 19-40 VDC 
CICLO DE TRABAJO 60% 
DIAMETRO DE ALAMBRE 1.2-1.6 mm (diametro) 
VELOCIDAD DEL ALIMENTADOR DEL ALAMBRE 1.5-15 m/min 
CORRIENTE NOMINAL DE SOLDADURA 500 Amp 
RANGO DE CORRIENTE 110-500 Amp 
CORRIENTE NOMINAL DEL BOBINADO PRIMARIO 81-40 Amp 
CAPACIDAD DE ENTRADA NOMINAL 30-9 KVA 
Fuente. El autor 
 
Figura 21. Equipo de soldadura para proceso FCAW, ref. HGMIH-500 
 
Fuente. El autor 
 
 
34 
 
Figura 22. Sistema de control y visualización de corriente y voltaje 
 
Fuente. El autor 
 
La facilidad de controlar las variables de procesos como el amperaje (visualizador 
derecho) y el voltaje (visualizador Izquierdo), hace favorable el registro de los 
datos en el instante de llevar a cabo la unión soldada. 
 
5.2.4 Características del alambre de aporte. El alambre de aporte para el 
proceso de soldadura FACW, corresponde a la referencia Dual Shield 7100 ultra de 
la marca ESAB, según marco normativo, AWS A 5.20 E71 CH8, e ISO, 17632-A. Se 
caracteriza por operar en un amplio rango de parámetros y generar menos gases 
de soldadura a comparación con otros alambres similares. la baja formación de 
salpicaduras y la facilidad de remoción de la escoria, facilita el proceso de limpieza 
del cordón. Otro de los aspectos es la facilidad de operarse con gas protector 100% 
CO2 o 75%Ar-25%CO2. 
Las aplicaciones industriales se concentran en construcción de obras civiles, 
construcciones de puentes, líneas férreas, industria automotriz y naval. 
Según ficha técnica12, las propiedades mecánicas del material de aporte con 
protección gaseosa CO2 se enlista a continuación: 
 
 
12 ESAB, Welding Filler Metal Data book. ESTADOS UNIDOS: ESAB, 2018. p.262. disponible en: 
https://www.esabna.com/shared/documents/litdownloads/weldingfmdb/files/assets/basic-html/page282.html 
 
https://www.esabna.com/shared/documents/litdownloads/weldingfmdb/files/assets/basic-html/page282.html
35 
 
Tabla 5. Propiedades mecánicas del material de aporte 
 
Fuente. ESAB, Welding Filler Metal Data book 
 
Tabla 6. Valores del ensayo de impacto Charpy V-Notch 
 
Fuente. ESAB, Welding Filler Metal Data book 
 
Tabla 7. Composición química según gas de aporte. 
 
Fuente. ESAB, Welding Filler Metal Data book 
36 
 
De acuerdo con las recomendaciones del fabricante de del material de aporte13, 
para un diámetro de alambre de 1.2 mm, las tasas de deposición se operan desde 
1.7 a 5.3 kg/ hr. El rango de voltaje entre 22 y 34 VDC y Amperaje entre 140 a 330 
Amperios. La velocidad de alimentación del alambre entre 5.1 y 15.2 m/min. 
 
5.2.5 Características del gas de protección. Es de vital importancia la correcta 
selección del gas que controla la atmosfera protectora de la soldadura. Se relaciona 
directamente con el tipo de procedimiento a realizar y el material base de trabajo. 
Se pueden obtener en una concentración al 100% de un elemento gaseoso o una 
mezcla de dos o más gases. 
El uso de una mezcla de gas permite optimizar los resultados, además se refleja en 
parámetros como la fluidez del baño de fusión, el valor de la penetración, la 
geometría de la penetración, la velocidad de soldeo, el comportamiento durante el 
cebado y la estabilidad del arco eléctrico y el grado de soldabilidad del material. 
Los gases con baja energía de ionización favorecen el cebado y la estabilidad del 
arco eléctrico. Caso contrario como el gas de Helio, con alta energía de ionización 
puede usarse donde se requiera alta inducción térmica y en consecuencia buena 
penetración de la soldadura. Cuando se trabaja gases poliatómicos la mezcla 
incrementa el aporte térmico, ya que la energía que utilizan en si disociación la 
comunican a la pieza, después de su combinación14. 
Tabla 8. Propiedades comunes de los gases de la soldadura 
 
Fuente. ASM Metals Handbook. Welding Brazing and soldering. Volume 6. 10ed. ASM 
International, Materials Park, OH 1993. 163p 
 
13 ESAB. Dual Shield 7100 Ultra, Documentación Y Especificaciones. México. 2018. Disponible en: 
https://www.esab.com.mx/mx/sp/products/filler-metals/gas-shielded-flux-cored-wires-fcaw/mild-
steel-wires/dual-shield-7100-ultra.cfm. 
14 SITASA, Suministros Industriales el Tajo. Fichas Técnicas De Gases. España. 2019. Disponible 
en: http://www.catalogo.sitasa.com/familias/gases_industriales/01_4.pdf 
 
https://www.esab.com.mx/mx/sp/products/filler-metals/gas-shielded-flux-cored-wires-fcaw/mild-steel-wires/dual-shield-7100-ultra.cfm
https://www.esab.com.mx/mx/sp/products/filler-metals/gas-shielded-flux-cored-wires-fcaw/mild-steel-wires/dual-shield-7100-ultra.cfm
http://www.catalogo.sitasa.com/familias/gases_industriales/01_4.pdf
37 
 
La conductividad térmica de los gases de protección afecta el perfil del cordón de la 
soldadura a la geometría de la penetración, a la desgasificación del metal de la 
soldadura y la velocidad de soldeo. 
Figura 23. conductividad térmica de gases 
 
SITASA, Suministros Industriales el Tajo. Fichas Técnicas De Gases. España. 2019. Disponible en: 
http://www.catalogo.sitasa.com/familias/gases_industriales/01_4.pdf 
Para el desarrollo del presente proyecto se utilizó como gas de protección el dióxido 
de carbono, CO2, por la favorabilidad que se tiene a la ganancia de carbono por 
parte del metal de soldadura, en especial en los aceros de alta aleación (aceros 
inoxidables). Adicionalmente, ofrece buena penetración en posiciones normales y 
posiciones forzadas. 
Figura 24. Botella de CO2, para la soladura de las muestras de estudio 
 
Fuente. El Autor 
http://www.catalogo.sitasa.com/familias/gases_industriales/01_4.pdf
38 
 
El sistema de control del caudal de gas se realizó por medio de una válvula integrada 
de regulación de presión y caudal, un medidor de columna, para visualizar el 
cambio en la variable de caudal (Lt/min de CO2) y un manómetro para observar la 
presión del gas. 
La afectación de la variable de proceso fue directamente al control de flujo de CO2, 
trabajando inicialmente con bajo caudal de gas (0-2 lt/min) y luego con un mayor 
flujo (14-15lt/min). 
Figura 25. Regulador de presión y caudal del gas de protección 
 
Fuente. El autor. 
 
5.2.6 Aplicación de la soldadura. Una vez, reunida la condición de equipos y 
variables, se procedió a realizar el proceso
de aplicación de la soldadura, teniendo 
en cuenta la información registrada en el procedimiento general de la soldadura, y 
variando el flujo de gas de protección (CO2). 
Figura 26. Aplicación cordón de soldadura con bajo caudal de CO2 
 
Fuente el autor. 
39 
 
 
Figura 27. Aplicación cordón de soldadura con 15 lt/min de caudal de CO2 
 
Fuente. El autor 
 
 
 
 
Figura 28. Aplicación de la soldadura en las diferentes laminas 
 
Fuente. El autor 
 
40 
 
5.2.7 Corte, encapsulado de las muestras y pulido. Los cortes de las muestras 
se realizaron en una máquina de corte industrial tipo Sin fin, teniendo en cuenta que 
se marcaron de forma en sección trasversal a la soldadura. se cortaron 3 secciones 
de 20 mm de ancho, considerando que se trabajaron dos muestras por cada caudal 
y rechazando la muestra del primer corte según norma ASME IX. 
 
Figura 29. Trazado para corte de muestras 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 30. corte de muestras en la sierra mecánica. a) 15lt/min, b) 0 lt/min CO2 
 
a) b) 
Fuente el autor 
Después de obtenida la sección, se procedió a cortar cada tira de material en forma 
longitudinal, para obtener muestras de 25 mm de largo. Esta dimensión es de 
importancia ya que es una medida de control para encapsular las muestras. 
41 
 
Figura 31. corte de muestras a dimensión 20 mm alto 25 mm ancho a)15lt/min, b)0 
lt/min. 
 
a) b) 
Fuente. El autor. 
Después de obtenidas las muestras con la dimensión correspondiente, se realizó 
un ajuste manual con lima fina, para facilitar el proceso de encapsulado y pulido. El 
encapsulado se realizó en resina fenólica negra con punto de fusión de 160 a 180 
°C. El dispositivo usado, es una maquina encapsuladora marca Buehler, Simplimet 
4000. Se tuvieron en cuenta dos muestras para encapsular, ya que las otras dos se 
sometieron a horno durante 100 horas y temperatura de 450°C. 
Figura 32. a) Muestras finales y b) encapsulamiento de muestras 
 
a) b) 
Fuente. El autor 
42 
 
Se seleccionó dos muestras y se realizó el pulido de acuerdo a norma ISO 1606015, 
donde se especifica una preparación de la superficie hasta 3 µm de alúmina, para 
un ataque con Nital del 2%. El proceso de pulido fue progresivo, desde la lija # 400 
hasta 1500, teniendo en cuenta que en cada cambio de numero debe también rotar 
orientación 90°. 
 
Figura 33. Pulido de las muestras con lijas # 400-600-800-1000-1200-1500 
 
Fuente. El autor. 
Las otras dos muestras, una en un proceso con caudal de 0-2 lt/min y la otra de14-
15 lt/min, se sometieron a proceso de calentamiento en una mufla de serie MF-2500, 
durante 100 horas, manteniendo una temperatura de 450° C. 
 
Figura 34. Mufla MF- 2005 
 
Fuente. El autor 
 
 15 INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. Destructive test on welds 
in metallic materials- etchants for macroscopic and microscopic examination. ISO/TR 16060. 
First edition, Switzerland: ISO,2003. Anexo A. 
 
43 
 
5.2.8 Evaluación de la dureza del material ASTM A 516 G 70. Para realizar al 
análisis comparativo, entre las muestras sometidas a calor y las muestras normales 
fue necesario tomar perfiles de dureza al material en estado de entrega. El equipo 
utilizado para la medición de la microdureza es un microdurómetro marca Shimadzu 
HMV-2 TL ASSY16, que permite la evaluación de durezas en escala Vickers y 
Rockwell, en zonas muy pequeñas de muestras metálicas. El equipo genera una 
deformación plástica en una pequeña región de la muestra a analizar, donde a esta 
huella se le determina el valor de las diagonales, con ayuda de un lente de 40 
aumentos 
 
Figura 35. Evaluación de la dureza con el Microdurometro Shimadzu HMV-2 
 
Fuente. El autor 
 
Se tuvo en cuenta una muestra de material sin afectación por el proceso de 
soldadura, se preparó la superficie con preparación manual de la superficie, usando 
lija desde la #320hasta # 600, para realizar la medición de la dureza en 7 puntos 
diferentes de la sección trasversal de la lámina. Los intervalos de medición 
correspondieron a cada 4 mm de espaciamiento. 
 
 
16 Universidad Distrital FJC. Laboratorios y talleres de Mecánica. Disponible en 
internet: https://rita.udistrital.edu.co:23604/recursos?download=2963 
 
 
https://rita.udistrital.edu.co:23604/recursos?download=2963
44 
 
 
Tabla 9. Datos del perfil de dureza para material condición normal. 
DISTANCIA(mm) 
DUREZA 
HRC HV 
4 39.8 390 
8 39.3 385 
12 39.4 386 
16 39.4 386 
20 37.8 371 
24 39.1 383 
28 38.6 378 
PROMEDIO DUREZA 39.06 382.71 
Fuente. El autor 
 
 
 
Figura 36. Perfil de dureza para material ASTM A 516 GR 70 
 
Fuente. El autor 
39.8
39.3 39.4 39.4
37.8
39.1
38.6
36.5
37
37.5
38
38.5
39
39.5
40
4 8 12 16 20 24 28
D
U
R
EZ
A
 H
R
C
 
INTERVALO MEDICIÓN (mm)
PERFIL DE DUREZA MATERIAL ASTM A- 516 G 70
muestra material
45 
 
5.3 EVALUACION METALOGRÁFICA DE LAS MUESTRAS 
 
5.3.1 evaluación de las muestras en el estereoscopio 
 
Figura 37. Muestra 0 lt/ min CO2, sin temperatura, 10X 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 38. Muestra 0 lt/ min CO2, con temperatura y 100 horas en horno, 10X 
 
Fuente. El autor. 
46 
 
Figura 39. Muestra 15 lt/ min de CO2 , sin temperatura, 10X 
 
Fuente. El autor. 
 
 
Figura 40. Muestra 15 lt/ min de CO2, con temperatura y 100 horas en horno, 10X 
 
Fuente. El autor. 
47 
 
5.3.2 Evaluación de la microestructura en el microscopio óptico, muestras sin 
temperatura (0 lt/min CO2). 
 
 
Figura 41. Micrografía muestra 0 lt/ min de CO2, sin temperatura, 50X 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 42. Micrografía muestra 0 lt/ min de CO2, sin temperatura, 100X 
 
Fuente. El autor. 
48 
 
Figura 43. Micrografía muestra 0 lt/ min de CO2, sin temperatura, 100X 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 44. Micrografía muestra 0 lt/ min de CO2, sin temperatura, 500X 
 
Fuente. El autor. 
 
 
 
49 
 
Figura 45. Micrografía muestra 0 lt/ min de CO2, sin temperatura, 1000X 
 
 
5.3.3 Evaluación de la microestructura en el microscopio óptico, muestras con 
temperatura (0 lt/min CO2). 
 
 
Figura 46. Micrografía muestra 0 lt/ min de CO2, 450°C, 100 horas 50X 
 
Fuente. El autor 
 
50 
 
Figura 47. Micrografía muestra 0 lt/ min de CO2, 450°C, 100 horas 100X 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 48. Micrografía muestra 0 lt/ min de CO2, 450°C, 100 horas 100X 
 
Fuente. El autor. 
 
51 
 
Figura 49. Micrografía muestra 0 lt/ min de CO2, 450°C, 100 horas, 500X 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 50. Micrografía muestra 0 lt/ min de CO2, 450°C, 100 horas, 1000X 
 
Fuente. El autor. 
 
52 
 
Figura 51. Micrografía muestra 0 lt/ min de CO2, 450°C, 100 horas, 1000X 
 
Fuente. El autor. 
 
 
5.3.4 Evaluación de la microestructura en el microscopio óptico, muestras sin 
temperatura (15 lt/min CO2). 
 
 
Figura 52. Micrografía muestra 15 lt/ min de CO2, sin temperatura, 100X 
 
Fuente. El autor . 
53 
 
Figura 53. Micrografía muestra 15 lt/ min de CO2, sin temperatura, 100X 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 54. Micrografía muestra 15 lt/ min de CO2, sin temperatura, 500X 
\ 
Fuente. El autor. 
 
 
54 
 
Figura 55. Micrografía muestra 15 lt/ min de CO2, sin temperatura, 500X 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 56. Micrografía muestra 15 lt/ min de CO2, sin temperatura, 500X 
 
Fuente. El autor. 
 
 
55 
 
Figura 57. Micrografía muestra 15 lt/ min de CO2, sin temperatura, 1000X 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 58. Micrografía muestra 15 lt/ min de CO2, sin temperatura, 1000X, material 
de aporte de la soldadura. 
 
Fuente. El autor. 
 
 
56 
 
5.3.5 Evaluación de la microestructura en el
microscopio óptico, muestras con 
450 ° C y 100 horas, (15 lt/min CO2). 
 
 
Figura.59 Micrografía muestra 15 lt/ min de CO2, 450°C, 100 horas 100X 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 60. Micrografía muestra 15 lt/ min de CO2, 450°C, 100 horas,100X 
 
Fuente. El autor. 
 
57 
 
Figura 61. Micrografía muestra 15 lt/ min de CO2, 450°C, 100 horas, 500X 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 62. Micrografía muestra 15 lt/ min de CO2, 450°C, 100 horas, 800X 
 
Fuente. El autor. 
58 
 
 
Figura 63. Micrografía muestra 15 lt/ min de CO2, 450°C, 100 horas, 1000X 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 64. Micrografía material de aporte muestra 15 Lt/ min de CO2, 450°C, 100 
horas, 1000X 
 
Fuente. El autor. 
59 
 
 
 
5.3.6 Análisis de la metalografía de las muestras. Después de los resultados de 
la metalografía con el Microscopio Metalográfico Invertido de Reflexión Olympus 
GX41, se procede a realizar un análisis por cada una de las muestras. 
 
Figura 65. Descripción metalografía muestra 0 lt/min, sin temperatura,100X, 500X 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 66. Identificación interface entre material de aporte y material base. 
 
Fuente. El autor. 
60 
 
En la microscopía de la muestra con caudal 0 a 2 lt/ min de CO2, y sin temperatura, 
se observa los granos de forma definida, aun en zonas cercanas a la zona del 
material de aporte. Predomina una microestructura ferrifica, con bajas 
concentraciones de perlita. Se observa ciertas formaciones de carburos en los 
límites de grano. 
 
Figura 67. Descripción metalografía muestra 0 lt/min, 450°C, 100 hrs,100X, 1000X 
 
Fuente. El autor. 
En la microscopía de la muestra con caudal de 0 a 2 lt/ min de CO2, y 100 horas de 
calentamiento a 450° C, se observa la formación de carburos en los límites de grano. 
Es de resaltar que, dependiendo del número de pasadas en la soldadura, se 
incrementa la formación de nódulos de grafito. Por lo general en condiciones de alta 
temperatura, la perlita se descompone en ferrita, dispersando grafito. En la 
estructura interna del grano predominan formaciones de ferrita, perlita y cementita. 
Figura 68. Identificación interface entre material de aporte y material base 100X. 
 
Fuente. El autor. 
61 
 
Figura 69. Descripción metalografía muestra 15 lt/min, sin temperatura,500X, 100X 
 
Fuente. El autor. 
 
En la microscopía de la muestra con 15lt/ min de CO2, y sin temperatura, se observa 
los granos de forma bien definida, aun en zonas cercanas a la zona del material de 
aporte. Predomina una microestructura ferrítica, con bajas concentraciones de 
perlita. 
 
Figura 70. Identificación interface entre material de aporte y material base 100X y 
1000x 
 
Fuente. El autor. 
En el material de aporte se visualiza concentraciones ferriticas, sin presencia de 
nodulos de grafito. 
 
62 
 
Figura 71. Descripción metalografía muestra 15 lt/min, 450°C, 100 hrs, 500X, 1000X 
 
Fuente. El autor. 
 
En la microscopía de la muestra con 15 lt/ min de CO2, y 100 horas de calentamiento 
a 450° C, no se observa la formación de carburos en los límites de grano ni la 
formación de nódulos de grafito. se observa los granos de forma bien definida, aun 
en zonas cercanas a la zona del material de aporte. Predomina una microestructura 
ferrifica, con bajas concentraciones de perlita. La microestructura evidencia un 
comportamiento estable, en comparación con la muestra con baja concentración de 
CO2 sometida a altas temperaturas. 
Figura 72. Identificación material de aporte, 1000X. 
 
Fuente. El autor. 
De acuerdo a la micrografía anterior, en la zona del material de aporte de la 
soldadura, se evidencia la formación de carburos y la formación de nódulos de 
grafito, después de sometida la muestra a condiciones de calentamiento 
63 
 
5.4 EVALUACION DEL PERFIL DE DUREZAS DE LAS MUESTRAS 
 
Figura 73. Perfil de dureza para muestra 0 lt/min CO2 sin temperatura. 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 74. Perfil de dureza para muestra 0 lt/min CO2, con temperatura. 
 
Fuente. El autor. 
39 38.2
30.2
14.6 13.7
19.5
23.1
27.1
36
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
3 6 8 9 12 15 18 22 24
D
U
R
EZ
A
 H
R
C
 
INTERVALO MEDICIÓN (mm)
Perfil de dureza Muestra con 0 lt/min CO2, normal
MATERIAL HAZ
26 26.8
23.5
14.2
12
21 21.2 20.4
25
0
5
10
15
20
25
30
3 6 8 9 12 15 18 22 24
D
U
R
EZ
A
 H
R
C
 
INTERVALO MEDICIÓN (mm)
Perfil de dureza Muestra con 0 lt/min CO2, 100 hr 450°
C
64 
 
Figura 75. diferencia en el perfil de dureza a 0 lt/ min de CO2, con temperatura y 
sin temperatura. 
 
Fuente. El autor 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
39 38.2
30.2
14.6 13.7
19.5
23.1
27.1
36
26 26.8
23.5
14.2
12
21 21.2 20.4
25
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
3 6 8 9 12 15 18 22 24
D
U
R
EZ
A
 H
R
C
 
INTERVALO MEDICIÓN (mm)
Diferencia entre perfiles de dureza material normal y 
100 hrs en Mufla a 450° C
NORMAL
100 Hrs
Temp
MATERIAL ASTM A 516 GR 70
65 
 
Figura 76. Perfil de dureza para muestra 15 lt/min CO2 sin temperatura 
 
Fuente. El autor. 
 
Figura 77. Perfil de dureza para muestra 15 lt/min CO2, con temperatura 
 
Fuente. El autor 
33.3
28.8
26.2
20.2
15.5
20.6
29.5 30
31.7
0
5
10
15
20
25
30
35
3 6 8 9 12 15 18 22 24
D
U
R
EZ
A
 H
R
C
 
INTERVALO MEDICIÓN (mm)
Perfil de dureza Muestra con 15 lt/min CO2, normal
26.4 26.2
20.2
14.8
13.7 14.4
23.1
27.1 27
0
5
10
15
20
25
30
3 6 8 9 12 15 18 22 24
D
U
R
EZ
A
 H
R
C
 
INTERVALO MEDICIÓN (mm)
Perfil de dureza Muestra con 15 lt/min CO2, 100 hr 450° C
66 
 
 
Figura 78. diferencia en el perfil de dureza a 15 lt/ min de CO2, con temperatura y 
sin temperatura. 
 
 
Fuente. El autor. 
 
De acuerdo a los valores de dureza, registrados para cada muestra, se observa, 
una reducción significativa en las fronteras de la zona de fusión, cuando el material 
es sometido a altas temperaturas y condiciones de servicio extremo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
33.3
28.8
26.2
20.2
15.5
20.6
29.5 30
31.7
26.4 26.2
20.2
14.8
13.7 14.4
23.1
27.1 27
0
5
10
15
20
25
30
35
3 6 8 9 12 15 18 22 24
D
U
R
EZ
A
 H
R
C
 
INTERVALO MEDICIÓN (mm)
Diferencia entre perfiles de dureza material normal y 100 
hrs en Mufla a 450° C
NORMAL
100 Hrs
Temp
67 
 
6. CONCLUSIONES. 
 
 
 De acuerdo al proceso experimental con las muestras, se deduce una 
relación directa, en la concentración de gas y la formación de carburos y 
grafito en la zona afectada por el calor, y en el material de aporte. A bajas 
tasas de CO2 (0-2 Lt/min) y alta exposición y afectación por temperatura 
(450° C y 100 horas), se observa en la metalografía formaciones de carburos 
en los límites de grano e incubaciones de nódulos de grafito en la frontera 
con el material de aporte. 
 
 Con la presencia de altas tasas de gas de protección, (14-15 lt/min de CO2), 
no se visualiza in relación directa con la formación de carburos y grafitización 
en la zona del material base y zona HAZ. Sin embargo, según la 
fotomicrografía, si se conserva formación de carburos y nódulos de grafito, 
en la zona del material de aporte de la soldadura. 
 
 Para las muestras sin afectación térmica tanto con bajas concentración de 
gas, como altas, el comportamiento de la dureza es similar para las dos 
muestras. Ahora, con exposición a temperatura los perfiles de dureza 
cambian, y se evidencia una reducción significativa de los valores de dureza 
entre la zona afectada por el calor y la zona de fusión. 
 
 Se recomiendo realizar un estudio más a profundidad, como por ejemplo una 
microscopia electrónica de barrido (SEM), para cuantificar y cualificar la 
formación de carburos dentro de las muestras. 
 
 
 
 
 
 
 
 
68 
 
7. BIBLIOGRAFIA 
 
 AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. Damage Mechanism Affecting 
Fixed Equipment in the refining Industry. API Recommended Practice 571 
2011. 2ed. Washington DC: API, 2011. 372p.
 ASM Metals Handbook. Properties and Selection: Iron, Steels, and High-
Performance. 10a. ed., ASM Volume 1. Materials Park, Ohio: ASM 
International, 1993. 1618p 
 
 ASM Metals Handbook. Welding, Brazing, and Soldering.ASM International. 
10a. ed., volume 6. Materials Park, Ohio: ASM International, 1993. 2873p. 
 
 ASM Metals Handbook. Metallography and Microstructure. 10a. ed., volume 
9. Materials Park, Ohio: ASM International ,1993. 1627p. 
 
 
 KOBELCO. Essential Factors in gas Shielded Metal Arc Welding. Tokio, 
Japan: KOBE STEEL LTD, 2015. 27p. 
 
 INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. Destructive 
test on welds in metallic materials- etchants for macroscopic and microscopic 
examination. ISO/TR 16060. First edition, Switzerland: ISO,2003. 11p. 
 
 Schey, John A. Procesos de manufactura.3 ed. Mexico: Mc Graw Hill, 2002. 
1004p. 
 
 Kalpakjian, S., & Schmid, S. R. Manufactura, ingeniería y tecnología. 5 ed. 
México: Pearson Educación, 2008. 1301p. 
 
 
 Groover, Mikell. P. Fundamentos de manufactura moderna. 4 ed. México: 
Macgraw-Hill, 2007. 1022p. 
 
 Ángulo Morris, Milton; Melgarejo Pinzón, Carlos. Monografía para optar 
título de especialista en soldadura. Bogotá DC. Universidad Libre, 2015. p. 
49. 
 
 Lámina Para Recipientes A Presión Astm A516 Gr 70. Disponible en: 
http://www.ferrocortes.com.co/download/FT-11-001-ASTM-A516-GR70.pdf. 
 
http://www.ferrocortes.com.co/download/FT-11-001-ASTM-A516-GR70.pdf
69 
 
 Fundamentos de soldadura MAG (Soldadura por arco con CO2) disponible 
en:internet:http://www.kobelcowelding.jp/espanol/educationcenter/Fundame
ntals/Fundamentals01.html#s01 
 
 
 Universidad Distrital FJC. Laboratorios y talleres de Mecánica. Disponible en 
internet: https://rita.udistrital.edu.co:23604/recursos?download=2963 
 
 ESAB, Welding Filler Metal Data book. ESTADOS UNIDOS: ESAB, 2018. 
621p. disponible en: 
https://www.esabna.com/shared/documents/litdownloads/weldingfmdb/files/
assets/basic-html/page282.html 
 
 ESAB. Dual Shield 7100 Ultra, Documentación Y Especificaciones. México. 
2018. Disponible en: https://www.esab.com.mx/mx/sp/products/filler-
metals/gas-shielded-flux-cored-wires-fcaw/mild-steel-wires/dual-shield-
7100-ultra.cfm. 
 
 SITASA, Suministros Industriales el Tajo. Fichas Tecnicas De Gases. 
España. 2019. Disponible en: 
http://www.catalogo.sitasa.com/familias/gases_industriales/01_4.pdf 
 
 
 A. Giacopini, R. Boeri y J. Sikora. Disolución de carburos en piezas de 
fundición esferoidal de pequeño espesor. Mar del Plata – Argentina: División 
Metalurgia - INTEMA – Facultad. Ingeniería – UNMDP-CONICET, 2001. 
172p. 
 
 Marzocca, Ana Lucía ; Luppo, María Inés ; Zalazar, Mónica. aInstituto Sabato, 
UNSAM – CNEA, Av. Gral Paz 1499 (B1650KNA) San Martín, Buenos Aires, 
Argentina. Disponible en www.sciencedirect.com. 
 
 Alipooramirabad, Houman; Paradowska, Anna; Ghomashchi, Reza. Reid, 
Mark. Investigating the effects of welding process on residual stresses, 
microstructure and mechanical properties in HSLA steel welds, Journal of 
Manufacturing Processes, Volume 28, Part 1, 2017. Disponible en 
www.sciencedirect.com.
https://rita.udistrital.edu.co:23604/recursos?download=2963
https://www.esabna.com/shared/documents/litdownloads/weldingfmdb/files/assets/basic-html/page282.html
https://www.esabna.com/shared/documents/litdownloads/weldingfmdb/files/assets/basic-html/page282.html
https://www.esab.com.mx/mx/sp/products/filler-metals/gas-shielded-flux-cored-wires-fcaw/mild-steel-wires/dual-shield-7100-ultra.cfm
https://www.esab.com.mx/mx/sp/products/filler-metals/gas-shielded-flux-cored-wires-fcaw/mild-steel-wires/dual-shield-7100-ultra.cfm
https://www.esab.com.mx/mx/sp/products/filler-metals/gas-shielded-flux-cored-wires-fcaw/mild-steel-wires/dual-shield-7100-ultra.cfm
http://www.catalogo.sitasa.com/familias/gases_industriales/01_4.pdf
http://www.sciencedirect.com/
http://www.sciencedirect.com/
 
 
8. ANEXOS 
 
8.1CERTIFICADO DE CALIDAD MATERIAL ASTM A 516 GR 70 
 
71 
 
 
72